- 客户文献 -

辛颢等人: 最小Voc损失！12.4%效率的 CZTSSe太阳能电池

开路电压损失(V_oc,def)大是制约锌黄锡矿结构CZTSSe太阳能电池效率的关键因素, 目前世界纪录效率(12.6%) CZTSSe电池的 V_oc,def为0.345 V. 南京邮电大学辛颢教授等人以SnCl₄和SnCl₂·2H₂O为锡前驱体，研究了二甲基亚砜(DMSO)溶液法制备的CZTSSe太阳能电池的开路电压损失问题。

                           

研究发现不同价态的锡前驱体化合物与有机配体硫脲(Tu)和溶剂DMSO发生不同的配位反应,使得从溶液到CZTSSe吸光层薄膜的反应路径截然不同. Sn²⁺与Tu配位导致前驱体薄膜中SnS、 ZnS和Cu₂S的生成, 这些硫化物在硒化过程中首先转化成硒化物而后逐步熔合生成CZTSSe, 其反应路径中多物相的转化和熔合导致薄膜光电性能差, 由该薄膜获得的最优器件有效面积效率仅为 8.84%, Voc,def 为0.391 V. 而Sn⁴⁺与DMSO配位, 该前驱体溶液经退火直接得到组成均匀的CZTS前驱体薄膜。

在硒化过程中CZTS直接发生取代反应生成CZTSSe, 得到的CZTSSe薄膜组成均匀, 光电性能优异, 由该薄膜制备的器件有效面积效率达到12.2%, V_oc,def降低至0.344 V. 此外, CZTSSe薄膜性质的不同导致CZTSSe/CdS异质结热处理(JHT)结果的不同. JHT显著提高了Sn⁴⁺器件的性能, 却略微 降低了Sn²⁺器件的性能。

最终, 由Sn⁴⁺溶液获得了全面积效率为 12.4%, 有效面积效率高达13.6%, V_oc,def低至0.297 V的CZTSSe太阳能电池器件。通过控制溶液中化学组成获得组成均匀的CZTS预制膜是获得高效CZTSSe电池薄膜材料和降低器件 V_oc,def的关键。

本报道不仅为进一步提高CZTSSe电池效率提供了新 的思路, 而且实现了V_oc,def首次低于0.30 V, 预示了CZTSSe未来的应用前景。

 

Gong,Y., Zhang, Y., Jedlicka, E. et al. Sn⁴⁺ precursor enables 12.4%efficient kesterite solar cell from DMSO solution with open circuit voltagedeficit below 0.30 V. Sci. China Mater. (2020).

https://doi.org/10.1007/s40843-020-1408-x

辛颢教授课题组研究主要涉及溶液法制备薄膜太阳能电池，包括铜锌锡硫（CZTSSe），铜铟镓硒（CIGS）和钙钛矿薄膜太阳能电池。通过溶液化学调控多元化合物半导体薄膜的光电性能和光伏性能是该课题组的研究特色。（1）通过加压硒化由DMF溶液实现高效（15.2%）的富铜（Cu-rich）CIGS电池；（2）以金属配合物为前驱体化合物避免金属离子水解，由水溶液获得了效率超过12%的CIGS电池；（3）通过控制溶液中金属离子之间的氧化还原反应、锂离子掺杂、前驱体化合物金属离子价态的选择等手段逐渐将DMSO溶液制备的CZTSSe电池效率由4%逐步提高到目前的12%以上，并将CZTSSe开路电压损失降低到新的记录。